Narzędzia numeryczne zwiększają opłacalność projektowania nowych układów wtryskowych
Nowoczesne, sterowane elektronicznie układy wtryskowe, które działają przy różnych wielkościach ciśnienia i składach paliwa, stanowią kluczowe narzędzie ograniczania zanieczyszczeń emitowanych w trakcie spalania w pojazdach na paliwo płynne i systemach wytwarzania energii elektrycznej. „Wspólnym mianownikiem wszystkich dostępnych obecnie konstrukcji jest tworzenie przepływów wielofazowych, które kontrolują atomizację paliwa i uzyskiwane w jej wyniku właściwości, a także mieszanie wtryskiwanych aerozoli paliwa”, opowiada Manolis Gavaises, koordynator naukowy unijnego projektu HAoS(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i profesor koordynującej te inicjatywę uczelni City, University of London. Badania w ramach projektu przeprowadzono dzięki wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
Eksperymenty z wykorzystaniem bezpośrednich symulacji numerycznych
Partnerzy projektu pracowali nad przygotowaniem i zweryfikowaniem na drodze eksperymentów modeli obliczeniowej dynamiki płynów(odnośnik otworzy się w nowym oknie). W tym celu analizowali procesy przepływu w układach wtryskowych pod kątem różnych koncepcji spalania. Badania obejmowały konwencjonalne silniki benzynowe i wysokoprężne, turbiny gazowe, silniki rakietowe i palniki paliwowe służące do generowania energii elektrycznej. Partnerzy koncentrowali się w swoich badaniach przede wszystkim na zjawiskach powiązanych z przepływem, takich jak wrzenie pęcherzyków w czasie kawitacji, błyskawiczne parowanie i zjawiska dotyczące emulsji wody, a także inne procesy rozpadu ukształtowanych struktur płynnych. Głównym celem naukowców było zrozumienie tych procesów i przedstawienie ich w ramach modelu obliczeniowej dynamiki płynów i symulacji metodą dużych wirów(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „W tym podejściu wspomniane nierozwiązane problemy w postaci procesów skali podsiatkowej(odnośnik otworzy się w nowym oknie) wymagają utworzenia dla nich modeli, a symulacje numeryczne służą do zrozumienia ich efektu w skali inżynierskiej i przy racjonalnym harmonogramie obliczeniowym”, wyjaśnia Gavaises. Dzięki niestandardowym eksperymentom i bezpośrednim symulacjom numerycznym(odnośnik otworzy się w nowym oknie) naukowcy opracowali wartościowe modele zamknięcia w skali podsiatkowej. Modele te zastosowano następnie w różnych kodach symulacji metodą dużych wirów. Członkowie zespołu badali konkretne zjawiska, w tym wpływ rozpadu pęcherzyków kawitacyjnych na podstawową atomizację oleju napędowego i benzyny, powstawanie pęcherzyków/oparów w dyszach z ciekłym tlenem i właściwości mieszanki powietrza/oleju opałowego w zakresie atomizacji w palnikach paliwowych, a także wpływ, jaki mają na rozpad aerodynamika kropli cieczy, emulsja wody, turbulencje przepływu i oddziaływania kropli na powierzchnie.
Zastosowania przemysłowe
Zespół HAoS zweryfikował opracowane narzędzia symulacyjne przy użyciu nowych danych porównawczych uzyskanych w trakcie badań. Takich narzędzi nie oferują najnowocześniejsze z dostępnych dziś modeli. W testach weryfikacyjnych wykorzystano układy wtryskowe dla benzyny i oleju napędowego, rozpylacze w formie stożka stosowane w palnikach paliwowych i układy wtryskowe do cieczy kriogenicznych przeznaczone do silników rakietowych. „Te porównania pokazały przydatność i wartość dodaną opracowanych przez nas modeli dotyczących układów wtryskowych dla silników spalinowych, turbin gazowych, palników paliwowych, a nawet silników rakietowych”, podsumowuje Gavaises. „W efekcie modele te przyniosą korzyści przemysłowi i firmom produkującym układy wtryskowe i systemy spalania, które będą mogły wykorzystywać je jako narzędzia projektowe do pracy nad nowymi metodami spalania i innowacyjnymi układami wtryskowymi”. Oprócz tego wyniki projektu HAoS posłużą szerszej społeczności skupionej wokół mechaniki płynów, ponieważ poszerzają naszą wiedzę o fizycznym aspekcie relacji między przepływem wielofazowym w dyszy a atomizacją. Ważne jest także to, że projekt pozwolił zdobyć doświadczenie 15 początkującym naukowcom, pomagając w ten sposób w kształceniu nowego pokolenia ekspertów w dziedzinie układów wtryskowych.
